实验十、差分放大电路参数对静态和动态的影响

一、题目

利用Multism研究图1所示差分放大电路在下列情况下对电路静态和动态的影响
（1）两个 $R_c$ 阻值相差 5%；
（2）$R_w$ 不在中点；
（3）两个差分管的电流放大倍数不相等。$$图1差分放大电路$$

二、仿真电路

在Multism环境下搭建图1所示电路，如图2所示。为了便于调解晶体管参数，采用虚拟晶体管，$Q_1$ 为 $T_1$，$Q_2$ 为 $T_2$，$\beta =150$。$R_1$ 和 $R_2$ 分别为 $T_1$ 管和 $T_2$ 管的集电极电阻，电位器用两个电阻 $R_3$ 和 $R_4$ 模拟。
在Multism 环境下，可以采用仪器仪表测量的方法得到题目问题的结论，也可采用其分析功能得到答案，这里采用的是分析功能。$$图2\text{Multism}搭建的差分放大电路$$

三、仿真内容

（1）利用 Multism 的“静态工作点分析”（DC Operating point）可得到理想对称、$R_c$ 阻值相差 5%、$R_w$ 不在中点和两个差分管电流放大倍数不等时的静态工作点，静态工作点分析的设置如图3所示，图4(a)~(d)是不同参数下的静态值。图中1是 $Q_1$ 的集电极，2是 $Q_2$ 的集电极；3是 $Q_1$ 的发射极，5是 $Q_2$ 的发射极；4是 $R_3$、$R_4$ 和 $R_5$ 的连接点。$Q$ 点的总结如表1所示。
$$图3静态工作点分析的设置$$

(a) 理想对称时的Q点	(b) $R_1=10\text{k}\Omega$、$R_2=10.5\text{k}\Omega$时的Q点
($c$) $R_3=49\Omega$、$R_4=51\Omega$时的Q点	(d) ${\beta }_1=150$、${\beta }_2=140$时的Q点

$$图4不同参数时的Q点$$

(2) 利用 Multism 的“传递函数分析”（Transfer Function）可获得电路在差模信号作用下的电压放大倍数、输入电阻（阻抗）和输出电阻（阻抗），传递函数分析设置如图5所示，图6为分析结果，图中左列以V1为输入，Q1的集电极为输出，右列以V2为输入，Q2的集电极为输出。
$$(a)左列传递函数的设置$$$$(b)右列传递函数的设置$$$$图5传递函数分析设置$$

$$(a)理想对称时$$

$$(b)R_1=10\text{k}\Omega 、R_2=10.5\text{k}\Omega$$

$$(c)R_3=49\text{Ω}、R_4=51\text{Ω}$$

$$(d){\beta }_1=150、{\beta }_2=140$$$$图6传递函数分析$$
（3）求共模放大倍数，测试电路如图7所示，分别可得到 $R_c$ 阻值相差5%，$R_w$ 不在中点和两个差分管电流放大倍数不等时的共模放大倍数，输出信号为Channel A - Channel B。
$$图7共模放大倍数测试电路$$

四、仿真结果

（1）整理图4的结果得如下表1：
$$表1Q点总结$$

$R_1$、$R_2$/kΩ	$R_3$、$R_4$/Ω	${\beta }_1$、${\beta }_2$	$I_{CQ1}$、$I_{CQ2}$/μA	$I_{BQ1}$、$I_{BQ2}$/μA	$U_{BEQ1}$、$U_{BEQ2}$/V	$U_{CEQ1}$、$U_{CEQ2}$/V
10、10	50、50	150、150	508.154、508.154	3.388、3.388	0.75670、0.75670	7.675、7.675
10、10.5	50、50	150、150	508.154、508.154	3.388、3.388	0.75670、0.75670	7.675、7.421
10、10	49、51	150、150	513.208、503.102	3.421、3.354	0.75696、0.75644	7.624、7.725
10、10	50、50	150、140	508.094、507.975	3.387、3.628	0.75670、0.75669	7.676、7.677

结论： 由上表可知，$R_c$ 阻值不同使得两只差分管的管压降不同，而不影响基极和集电极电流；$R_w$ 不在中点和 ${\beta }_1\ne {\beta }_2$ 将使两只差分管的发射结电压不同，基极和集电极电流也就不同，从而管压降不同。
（2）整理图6的仿真数据，并根据共模放大倍数的测试，可以得到如表2所示结果。
$$表2动态参数测试结果$$

$R_1$、$R_2$/kΩ	$R_3$、$R_4$/Ω	${\beta }_1$、${\beta }_2$	$A_d$	$R_i$/kΩ	$R_o$/kΩ	$A_c$
10、10	50、50	150、150	-99.748	60.152	20	0
10、10.5	50、50	150、150	-102.241	60.152	20.5	-0.0481
10、10	49、51	150、150	-99.743	60.154	20	0.0283
10、10	50、50	150、140	-99.724	58.160	20	0.0007

结论： 由上表数据可得：两个 $R_c$ 阻值有差别和 $R_w$ 不在中点将明显影响 $A_d$、$R_o$ 和 $A_c$ 的值，而两只管子电流放个大倍数不同将明显影响 $A_d$ 和 $R_i$ 的值。